Le traitement de l’eau

1.2.1. Généralités.

La production d’eau potable, ce n’est pas moins que 500 millions de m3 par mois pour le Canada (30M d’habitants) [5] et la France (60M d’habitants) [6], pour un coût final respectif de 0,14$ le m3 et de 1,46 " le m3, payé par l’habitant [7].

Les sources de prélèvement d’eau sont diverses, on en distingue trois grandes : (i) les eaux souterraines, (ii) les eaux de surface et (iii) un mélange des deux. La Figure 5 montre la différence flagrante de sources de prélèvement qui existe entre la France et le Canada. La France privilégie les sources souterraines (nappes phréatiques, 53%), alors que le Canada, riche en grands lacs et fleuves, privilégie les sources d’eaux de surface à près de 90%.

Figure 5: Répartition du type d'alimentation en eau en France et au Canada [5,6].

L’infrastructure et le type de traitement mis en place dans la gestion des eaux usées sont dépendants du type d’eau traitée (eaux urbaines, agricoles, industrielles), la pollution rencontrée étant différente. Ainsi dans une zone à forte densité agricole, les eaux seront principalement chargées en composés azotés (engrais) mais aussi en pesticides. Dans le cas d’eaux industrielles, celles-ci seront principalement chargées en métaux lourds ou en composés organiques issus de la chimie de synthèse. L’infrastructure est aussi dépendante de la taille de l’agglomération qu’elle dessert, les volumes traités (et donc les débits) étant proportionnels au nombre d’habitants. La

Table 1 [8] nous montre la répartition en France des stations de potabilisation en fonction du type de traitement et de la taille de l’infrastructure. On constate que les installations aux traitements les plus poussés (type A3) ne représentent que 3 % du total des installations mais elles représentent près du tiers des débits de production journaliers totaux. Ces données montrent bien la relation entre le volume traité (en rapport avec les agglomérations desservies) et le type de traitement appliqué. Les traitements poussés étant coûteux, il est plus intéressant de les utiliser dans les stations de tailles importantes afin d’optimiser le rapport coût-bénéfice (ici une eau de qualité servie au plus grand nombre). La majorité des stations est cependant de type A1 (filtration et désinfection).

Table 1: Nombre de stations par types de traitement (en France) [8].

Classe de Débit des installations en m3/j Type de traitement A1 A2 A3 N Nombre ^Débit (Mm3/j) ^Nombre Débit (Mm3/j) ^Nombre Débit (Mm3/j) ^Nombre Débit (Mm3/j) < 100 6 105 0.26 213 0.01 51 0.002 680 0.03 100 – 1 999 5 967 3.04 571 0.40 150 0.13 143 0.05 2 000 – 9 999 636 2.55 221 0.91 147 0.65 6 0.04 10 000 – 49 999 95 1.77 68 1.31 52 1.00 2 0.03 50 000 – 99 999 6 0.49 2 0.13 12 0.83 0 0 ≥  100 000 1 0.16 1 0.19 11 2.01 0 0 Total 12 810 8.27 1 076 2.94 423 4.63 831 0.14 Mm3/j : millions de m3/j

A1 : Traitement physique simple et désinfection (filtration, désinfection)

A2 : Traitement normal physique, chimique et désinfection (prétraitement, coagulation, floculation, décantation, filtration, désinfection (chloration finale))

A3 : Traitement physique, chimique poussé, affinage et désinfection (prétraitement, coagulation, floculation, décantation, filtration, affinage (charbon actif), désinfection (chloration finale))

12 Thèse de doctorat Olivier Lesage

1.2.2. Principes.

Le traitement de l’eau est basé sur l’utilisation de plusieurs procédés chimiques, biologiques et physique. Il y a plusieurs étapes dans le traitement de l’eau. Leur nombre est plus ou moins important en fonction de l’application finale, consommation humaine (usine de potabilisation) ou relargage dans le milieu naturel (stations d’épuration ou STEP). On peut distinguer le traitement de l’eau en trois grandes étapes [9]:

1. Le dégrillage et tamisage : permettent d’éliminer les gros volumes de matières solides

(bois, sable, etc.). Un traitement de dégraissage est ensuite effectué afin de retirer les graisses, huiles et autres liquides moins denses que l’eau.

2. La décantation : élimine les matières en suspension (MES). Quand cette étape est trop

lente ou n’arrive pas à éliminer la totalité des MES, on effectue un traitement par floculation / coagulation : On ajoute une substance chimique (ex : FeSO₄) afin que les MES s’agglomèrent et tombent par gravité au fond du bassin. Ce traitement est effectué pour un type particulier de MES : les colloïdes, particules de diamètre inférieur à 200 nm. Les boues recueillies sont ensuite traitées séparément.

3. Le traitement biologique : effectué sur lit de sable (en présence ou non de charbon

actif), cette étape permet de dégrader biologiquement les molécules organiques. C’est l’étape de clarification, elle peut être précédée par une pré-oxydation (avec de l’ozone). Après ce traitement vient la désinfection par des composés chlorés ou de l’ozone. Cette étape est en général limitée par la présence de molécules réfractaires à la dégradation biologique.

La Figure 6 résume les différentes étapes du traitement de l’eau classique.

Figure 6: le traitement de l'eau classique [9].

Concernant la production d’eau potable, l’étape 3 peut être suivie par des traitements plus poussés comme la filtration (micro, ultra ou nano) qui permet d’éliminer les éventuelles molécules organiques ou microorganismes persistants. Toutefois les coûts liés à la mise en place

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de ce type de procédé et au remplacement des filtres sont importants, ce qui explique son utilisation peu répandue.

Enfin, l’étape finale est l’ajout de chlore à l’eau qui sera acheminée dans le réseau de distribution. La présence de chlore permet de maintenir une qualité microbiologique dans les canalisations et éviter la formation de biofilms. Il limite donc la reviviscence des microorganismes durant l’acheminement de l’eau potable, de l’usine au consommateur. Le chlore est ici proposé comme agent rémanent car il est le seul à posséder cet effet, comparativement au traitement « classique » de désinfection à l’ozone ou aux UV (cf. Table 2) [9]. Cependant le chlore est de moins en moins utilisé dans l’étape d’oxydation ou pré-oxydation car il est présente un inconvénient majeur : Il peut réagir avec certaines molécules organiques pour former des organochlorés [10,11].

Table 2: Effet bactéricide et rémanent des différents composés utilisés dans le traitement de l'eau [9].

1.2.3. Limitations.

Hormis son coût, le traitement de l’eau est confronté à d’autres types de limitations. En effet, les traitements actuels permettent de lutter efficacement contre les pollutions communes, mais ils apparaissent aujourd’hui limités face à des polluants qu’on dit « émergents » et souvent réfractaires. Ces molécules sont très peu biodégradables mais aussi résistantes à l’oxydation par l’ozone (oxydant le plus fort utilisé à ce jour). Ces produits non dégradés se retrouvent donc directement dans l’eau de consommation. Les molécules réfractaires ne sont pas le seul problème, des microorganismes pathogènes passent également au travers de certains traitements. Par exemple, même si ce chiffre tend à diminuer, le nombre de cas d’épidémies de gastroentérite dues à l’ingestion d’une eau impropre à la consommation n’est pas nul. Comme nous le montre la Figure 7 [12], le nombre d’habitations desservies par une eau ne répondant pas aux normes microbiologique atteint encore 3,8% du parc en 2008. Au Canada, en 2000, une contamination du réseau par la bactérie E. Coli, a causé la mort de 7 personnes et rendue près de 2300 autres malades dans la ville de Walkerton [13].

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Figure 7: Proportion de la population française desservie par une eau non conforme aux paramètres microbiologiques entre 1998 et 2008 (en %) [12].